Percobaan Geiger-Marsden

Ada usul agar Eksperimen Kertas Emas digabungkan ke artikel ini. (Diskusikan) Diusulkan sejak Juni 2023.

Percobaan Geiger–Marsden (disebut pula sebagai percobaan lempeng emas Rutherford) adalah rangkaian penting eksperimen yang mempelajari bahwa setiap atom memiliki inti yang semua muatan positif dan sebagian besar massanya terkonsentrasi. Kesimpulan ini didapat setelah mengukur bagaimana sinar partikel alfa terhamburkan ketika mengenai lempeng emas yang tipis. Percobaan ini dilakukan antara tahun 1908 dan 1913 oleh Hans Geiger dan Ernest Marsden di bawah arahan Ernest Rutherford di Laboratorium Fisika Universitas Manchester.

Teori struktur atom yang populer pada saat percobaan Rutherford adalah "model puding prem". Model ini dirancang oleh Lord Kelvin dan dikembangkan lebih lanjut oleh J.J. Thomson. Thomson telah menemukan elektron, dan percaya setiap atom adalah bola bermuatan positif dengan elektron yang tersebar secara merata, menyerupai kismis dalam puding Natal. Keberadaan proton dan neutron tidak diketahui saat itu. Thomson mengetahui bahwa atom sangat kecil (Rutherford berasumsi atom memiliki jari-jari sekitar 10⁻⁸ m^[1]). Model ini sepenuhnya didasarkan pada fisika klasik (Newtonian); model yang diterima saat ini menggunakan mekanika kuantum.

Model Thomson tidak diterima secara universal bahkan sebelum percobaan Rutherford. Thomson sendiri tidak pernah mampu mengembangkan model konsepnya yang lengkap dan stabil. Ilmuwan Jepang Hantaro Nagaoka menolak model Thomson dengan alasan bahwa muatan yang berlawanan tidak dapat menembus satu sama lain.^[2] Dia mengusulkan sebaliknya bahwa elektron mengorbit muatan positif seperti cincin di sekitar Saturnus.^[3]

Partikel alfa adalah partikel materi yang bermuatan positif dan submikroskopis. Menurut Model puding prem Thomson, jika partikel alfa bertabrakan dengan atom, ia akan terbang lurus, lintasannya dibelokkan paling banyak sepersekian derajat. Pada skala atom, konsep "materi padat" tidak ada artinya. Atom Thomson adalah bola bermuatan listrik positif, ditambatkan di tempatnya oleh massanya. Karenanya partikel alfa tidak akan memantul dari atom seperti bola, tetapi mungkin melewatinya jika medan listrik atom cukup lemah untuk memungkinkannya. Model Thomson meramalkan bahwa medan listrik dalam atom terlalu lemah untuk mempengaruhi partikel alfa yang lewat (partikel alfa cenderung bergerak sangat cepat). Baik muatan negatif maupun positif dalam atom Thomson tersebar di seluruh volume atom. Menurut Hukum Coulomb, semakin sedikit konsentrasi bola yang bermuatan listrik, semakin lemah medan listriknya di permukaannya.^[4][5]

Sebagai contoh, jika partikel alfa yang melewati tepi atom emas, yang akan mengalami medan listrik paling kuat dan karenanya mengalami pembelokkan maksimum. θ. Karena elektron sangat ringan dibandingkan dengan partikel alfa, pengaruhnya dapat diabaikan,^[6] sehingga atom dapat dilihat sebagai bola pejal bermuatan positif.

Q_g = muatan positif atom emas = 79 e = 1,266×10⁻¹⁷ C

Q_α = muatan partikel alfa = 2 e = 3,204×10⁻¹⁹ C

r = jari-jari atom emas = 1,44×10⁻¹⁰ m

v = kecepatan partikel alfa = 1,53×10⁷ m/s

m = massa partikel alfa = 6,645×10⁻²⁷ kg

k = konstanta Coulomb = 8,998×10⁹ N·m²/C²

Menggunakan fisika klasik, perubahan momentum lateral partikel alfa p_y dapat didekati dengan menggunakan hubungan impuls gaya dan persamaan gaya Coulomb:

${\displaystyle p_{y}={\bar {F}}t<k{\frac {Q_{\alpha }Q_{g}}{r^{2}}}\cdot {\frac {2r}{v}}}$

${\displaystyle \tan \theta ={\frac {p_{y}}{p_{x}}}<k{\frac {Q_{\alpha }Q_{g}}{r^{2}}}\cdot {\frac {2r}{v}}\cdot {\frac {1}{mv}}=8.987\times 10^{9}\cdot {\frac {3.204\times 10^{-19}\times 1.266\times 10^{-17}}{(1.44\times 10^{-10})^{2}}}\cdot {\frac {2\times 1.44\times 10^{-10}}{1.53\times 10^{7}}}\cdot {\frac {1}{6.645\times 10^{-27}\times 1.53\times 10^{7}}}}$

${\displaystyle \theta <0.000325~{\text{rad}}~({\text{or}}~0.0186^{\circ })}$

Perhitungan di atas hanyalah perkiraan dari apa yang terjadi ketika partikel alfa mendekati atom Thomson, tetapi jelas bahwa pembelokkan paling banyak akan berada dengan besar sebagian kecil derajat. Jika partikel alfa melewati kertas emas setebal sekitar 4 mikrometer (2.410 atom)^[7] dan mengalami pembelokkan maksimal ke arah yang sama (jarang), pembelokkan tersebut tetap saja kecil.

Atas perintah Rutherford, Geiger dan Marsden melakukan serangkaian percobaan dengan mengarahkan seberkas partikel alfa pada lapisan tipis logam dan,^[8] menggunakan metode sintilasi yang dirancang oleh Crookes, Elster, & Geitel^[9][10] mengukur pola hamburan dengan menggunakan layar pendar. Mereka melihat partikel alfa memantul dari lempeng tipis logam ke segala arah, beberapa tepat kembali ke sumbernya. Hal ini seharusnya tidak mungkin menurut model Thomson; partikel alfa seharusnya sudah melewati semuanya. Jelas, partikel-partikel itu telah mengalami gaya elektrostatik yang jauh lebih besar daripada yang disarankan model Thomson. Selanjutnya, hanya sebagian kecil partikel alfa yang dibelokkan lebih dari 90°. Sebagian besar terbang langsung melalui lempeng tipis dengan defleksi yang dapat diabaikan.^[8]

Untuk menjelaskan hasil yang aneh ini, Rutherford membayangkan bahwa muatan positif atom terkonsentrasi dalam inti kecil di pusatnya, yang kemudian berarti bahwa sebagian besar volume atom adalah ruang kosong.

• Teori atom
• Spektroskopi
• Hamburan Rutherford
• Hamburan Rayleigh

• "Rutherford's Nuclear World: The Story of the Discovery of the Nucleus" (dalam bahasa Inggris). American Institute of Physics. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2016-10-24. Diakses tanggal 23 Oktober 2014. 
• "HyperPhysics" (dalam bahasa Inggris). Georgia State University. Diakses tanggal 13 Agustus 2014. 
• "Geiger and Marsden" (dalam bahasa Inggris). Cavendish Laboratory. Diarsipkan dari versi asli tanggal 6 Oktober 2014. Diakses tanggal 23 Juli 2014.  Parameter |url-status= yang tidak diketahui akan diabaikan (bantuan)
• Daintith, John; Gjertsen, Derek (1999). A Dictionary of Scientists (dalam bahasa Inggris). Oxford University Press. ISBN 978-0-19-280086-2. 
• Fowler, Michael. "Rutherford Scattering". Lecture notes for Physics 252 (dalam bahasa Inggris). University of Virginia. Diakses tanggal 23 Juli 2014. 
• Geiger, Hans (1908). "On the Scattering of α-Particles by Matter". Proceedings of the Royal Society of London A (dalam bahasa Inggris). 81 (546): 174–177. Bibcode:1908RSPSA..81..174G. doi:10.1098/rspa.1908.0067 . 
• Geiger, Hans; Marsden, Ernest (1909). "On a Diffuse Reflection of the α-Particles". Proceedings of the Royal Society of London A (dalam bahasa Inggris). 82 (557): 495–500. Bibcode:1909RSPSA..82..495G. doi:10.1098/rspa.1909.0054 . 
• Geiger, Hans (1910). "The Scattering of the α-Particles by Matter". Proceedings of the Royal Society of London A (dalam bahasa Inggris). 83 (565): 492–504. Bibcode:1910RSPSA..83..492G. doi:10.1098/rspa.1910.0038 . 
• Geiger, Hans; Marsden, Ernest (1913). "The Laws of Deflexion of α Particles through Large Angles" (PDF). Philosophical Magazine. Series 6 (dalam bahasa Inggris). 25 (148): 604–623. doi:10.1080/14786440408634197. 
• Heilbron, John L. (2003). Ernest Rutherford and the Explosion of Atoms (dalam bahasa Inggris). Oxford University Press. ISBN 978-0-19-512378-4. 
• Jewett, John W., Jr.; Serway, Raymond A. (2014). "Early Models of the Atom". Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics (dalam bahasa Inggris) (edisi ke-9). Brooks/Cole. hlm. 1299. 
• Manners, Joy (2000). Quantum Physics: An Introduction (dalam bahasa Inggris). CRC Press. ISBN 978-0-7503-0720-8. 
• Nagaoka, Hantaro (1904). "Kinetics of a System of Particles illustrating the Line and the Band Spectrum and the Phenomena of Radioactivity". Philosophical Magazine. Series 6. 7 (41): 445–455. doi:10.1080/14786440409463141. 
• Reeves, Richard (2008). A Force of Nature: The Frontier Genius of Ernest Rutherford (dalam bahasa Inggris). W. W. Norton & Co. ISBN 978-0-393-07604-2. 
• Rutherford, Ernest (1911). "The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom". Philosophical Magazine. Series 6 (dalam bahasa Inggris). 21 (125): 669–688. doi:10.1080/14786440508637080. 
• Rutherford, Ernest (1912). "The origin of β and γ rays from radioactive substances". Philosophical Magazine. Series 6 (dalam bahasa Inggris). 24 (142): 453–462. doi:10.1080/14786441008637351. 
• Rutherford, Ernest; Nuttal, John Mitchell (1913). "Scattering of α-Particles by Gases". Philosophical Magazine. Series 6 (dalam bahasa Inggris). 26 (154): 702–712. doi:10.1080/14786441308635014. 
• Rutherford, Ernest (1914). "The Structure of the Atom". Philosophical Magazine. Series 6 (dalam bahasa Inggris). 27 (159): 488–498. doi:10.1080/14786440308635117. 
• Rutherford, Ernest; Ratcliffe, John A. (1938). "Forty Years of Physics". Dalam Needham, Joseph; Pagel, Walter. Background to Modern Science (dalam bahasa Inggris). Cambridge University Press. 
• Rutherford, Ernest (1913). Radioactive Substances and their Radiations (dalam bahasa Inggris). Cambridge University Press. 
• Thomson, Joseph J. (1904). "On the Structure of the Atom: an Investigation of the Stability and Periods of Oscillation of a number of Corpuscles arranged at equal intervals around the Circumference of a Circle; with Application of the Results to the Theory of Atomic Structure". Philosophical Magazine. Series 6 (dalam bahasa Inggris). 7 (39): 237. doi:10.1080/14786440409463107. 
• Tibbetts, Gary (2007). How the Great Scientists Reasoned: The Scientific Method in Action (dalam bahasa Inggris). Elsevier. ISBN 978-0-12-398498-2. 

• (Inggris) Deskripsi percobaan, dari cambridgephysics.org